Descoberto um novo qubit no silício

Qual é o melhor qubit?

Já existem vários protótipos de computadores quânticos rodando, mas a discussão sobre qual é o tipo ideal de qubit para criar versões mais poderosas ainda é uma questão em aberto.

Embora qubits semelhantes a transistores sejam atraentes, já existem qubits supercondutores, qubits de luz, qubits atômicos, qubits lógicos e até versões mais exóticas, como um qubit de antimatéria e um qubit mecânico, parecido com um tambor.

Particularmente interessantes são os qubits naturais existentes no diamante, que surgem graças a defeitos em sua estrutura cristalina conhecidos como vacâncias de nitrogênio.

O qubit no diamante consiste em um átomo de nitrogênio (N) adjacente a uma vacância (V, um átomo de carbono ausente) no cristal. Esses defeitos podem interagir tanto com elétrons quanto com a luz, permitindo a emissão de fótons individuais (quanta de luz) que podem transmitir informações quânticas ou serem processados em redes quânticas.

Agora, Kevin Nangoi e colegas da Universidade da Califórnia de Santa Bárbara, nos EUA, encontraram um desses qubits naturais não no diamante ou no espinélio, mas no bem conhecido silício.

O silício é o material que compõe os chips de computador atuais, o que o torna uma plataforma extremamente atraente para a computação quântica porque isso permite aproveitar os pontos fortes da indústria de semicondutores. Por isso, identificar os blocos de construção quânticos – os qubits – no silício tornou-se uma importante área de pesquisa.

Qubit no silício

Há um defeito cristalino bem conhecido no silício, o centro T. O centro T é composto por átomos de carbono e hidrogênio, mas a presença de hidrogênio o torna frágil e sensível às condições de fabricação – o hidrogênio pode se mover facilmente dentro do cristal e é difícil de controlar durante o processamento, o que torna a fabricação de dispositivos reproduzíveis e confiáveis um grande problema prático.

Nangoi descobriu agora uma alternativa, um defeito que consiste em átomos de carbono e nitrogênio, por isso batizado de centro CN. “Ao contrário do centro T, esse defeito não contém hidrogênio e, portanto, será mais robusto e mais fácil de implementar em dispositivos reais,” disse o pesquisador.

A descoberta de um emissor de luz quântica no silício, livre de hidrogênio e emitindo fótons com comprimento de onda usado nas telecomunicações, é um passo importante que pode ajudar a viabilizar a computação quântica no silício.

Para guiar a exploração desse novo qubit, a equipe realizou simulações computadorizadas de primeiros princípios, modelando o defeito em nível atômico. Esses modelos mostram as propriedades que o material deve ter para apresentar os centros CN, facilitando a fabricação de “defeitos projetados”, por assim dizer.

“Nossos resultados mostram que o centro CN reproduz as principais propriedades eletrônicas e ópticas que tornam o centro T atraente para aplicações quânticas; em particular, o centro é estruturalmente estável e produz luz na faixa de telecomunicações,” destacou o professor Mark Turiansky.